中頻直擴接收機基于SMU200A的測試方案
2011-04-13
李秀坤
摘要：本方案可方便、高效的對產品進行邊界條件驗證，從而提高產品的適應性，加快系統研制腳步。
本文介紹了擴頻技術在軍工通信中的應用，針對其使用環境進行了分析，描述了信道環境變化對同步的影響，提出一種以RS公司的矢量信號源發生器SMU200A為核心，搭建擴頻通信半實物仿真平臺，對解調端的信號處理卡進行測試的方案。
關鍵詞：擴頻技術 同步 環境模擬 邊界測試
A Test System with SMU200A for DSSS IF Receiver
LI Xiu-kun
（China Airborne Missile Academy, Luoyang, 471009）
Abstract: The application of spread spectrum technology in military communication has been introduced briefly in this article. Its working environment has been analyzed and the influence from the environment changing of signal channel on the synchronization is described. A test system was put forward. In this system, a hardware in the loop simulation platform for spread spectrum communication has been established, in which the vector signal source generator SMU200A from RS Company is used as the core. The platform is used to test the signal processing card at the demodulated end. Its practice test has shown that it can validate the boundary condition of a product conveniently and effectively so as to raise the adaptability of the product, speed up the development progress of a system.
KEY WORDS:spread spectrum; synchronization; environment simulation; boundary test.
1 引言
近年來，擴展頻譜技術（Spread Spectrum）在軍事通信中取得了廣泛的應用。
擴展頻譜技術是將基帶信號（即信息）的頻譜擴展至很寬的頻帶上，然后再進行傳輸，即將待傳送的信息數據用偽隨機編碼調制，實現頻譜擴展后再傳輸，接收端則采用相同的擴頻碼進行解擴解調處理來恢復出所傳信息數據。
根據直擴原理，只有當接收端的本地擴頻序列與接收信號中擴頻序列相位一致時，即擴頻序列同步時，才能實現接收信號的解擴和解調，否則信號將淹沒在噪聲中。而在實際的擴頻系統中，由于多種原因造成接收信號中擴頻序列相位與載波相位的不穩定。因此，同步是擴頻系統的關鍵技術，也是影響整個擴頻系統性能的重要因素。通過對分析影響擴頻同步的因素并對其進行接近于實際的模擬，成為系統研制的關鍵因素。
本文以RS公司的SMU200A作為核心，搭建了一個直擴中頻接收機的半實物仿真測試平臺。利用該平臺，可以方便、高效的對所設計的直擴接收機建立各種邊界條件，從而驗證同步方案是否滿足系統要求，并達到優化的目的。
2 擴頻系統使用環境分析
一個擴頻系統的設計好壞，主要在于中頻接收機的設計，尤為重要的是偽碼、載波同步能力。影響擴頻同步通常有以下幾種原因：
1） 頻率源的漂移
系統中的發送設備和接收設備處于不同的物理位置，采用不同的本振源，作為軍用設備，會有相當長的儲藏期，正常使用時，由于本振源頻率的漂移，將引起碼元時鐘速率的偏移，累積為碼相位的偏移；同時由于載波頻率的漂移，也使得收發頻差增大，影響系統同步。
2）多普勒頻移
軍用通信中載波發送端與接收端平臺速度差異造成發射信號的多普勒頻移、一次變化率、二次變化率較大，對接收信號的捕獲和跟蹤造成很大困難。
3） 電波傳輸時延
收發平臺空間位置的轉移會導致時延的不同，從而引起同步的不確定性。
4） 多徑效應
在某些使用條件下，收發平臺間會存在多條路徑。多徑效應會引起碼相位、載波頻率相位延遲造成同步的不確定。
除以上因素外，系統射頻組件的熱噪聲、實際環境中可能存在的突發干擾和隨機干擾也是影響同步的重要因素。
3 測試方案
3.1 方案選擇
通過上述分析，可以知道如果想對擴頻系統的接收性能進行精確的測試，必須要有一個可以精確反映上述影響因素的信號模擬和環境模擬的設備，以在實驗室環境中建立近似于實際的半實物仿真環境，對中頻直擴接收機的各種邊界條件進行測試。
目前具備以上功能的性能較佳的儀器有Agilent公司的E4438C和RS公司的SMU200A。可以進行發射信號模擬和環境模擬。發射信號模擬可以完成調制信號輸入、載波頻率和輸出功率選擇，環境模擬可以完成信噪比模擬、多徑模擬、時延模擬。
SMU200A矢量信號發生器采用模塊化設計理念，擁有兩個獨立的信號發生單元，基帶部分可以同時安裝兩個信號發生器，可以實時產生復雜的信號，并且隨機配備有一個任意波形發生器，它可以存儲64Msample的I和Q信號，兩路不同基帶產生的信號可以相互疊加。同時其采用現代直觀式用戶界面，可清晰顯示從基帶到RF輸出整個過程的信號流圖，使它具有非凡的易操作性。還可通過內置瞬態記錄儀顯示基帶信號圖形，可顯示信號的矢量或星座圖、I/Q特性、輸出頻譜，這樣可檢查所生成信號是否符合要求。顯示界面見圖1。
E4438C是單通道，環境模擬需外配兩塊卡，操作較為麻煩，故選擇SMU200A進行仿真平臺搭建和最終測試。同時選擇RS公司的FSQ作為信號分析設備進行射頻信號檢測和驗證。
測試平臺實現框圖見圖2。
測試平臺中，通過主控機將需調制的編碼擴頻信號送入SMU200A中，在SMU200A中進行調制，選擇合適的信道環境設置，輸出一個近似于真實環境的射頻信號，送入待測試的中頻直擴接收機中，解調后的信號由主控機讀取，并進行誤碼率判斷。
圖2 中頻直擴接收機測試平臺實現框圖
3.2 信號產生和環境模擬
本測試平臺中可對以下條件進行設置以滿足實驗室測試需要的信號和環境模擬。
1） 射頻信號特征的設置
在測試平臺中應可對輸出的射頻信號特征進行設置，如開關控制、射頻頻率、功率、調制模式等。圖3中顯示了可設置的各種射頻信號特性。
2) 信噪比的設置
由于真實環境中收發距離的變化會引起接收端信號強度的變化，折算到中輸入端將反應為信噪比的變化，同時在實時情況下由于收發兩端天線的位置、運動速度及方向的變化也會產生失配效應，從而造成接收端信噪比的變化。本方案中采用將加性高斯白噪聲（AWGN）加于真實信號上的方法完成對信號信噪比變化的模擬。AWGN設置中可以方便的改變載噪比，載噪比的動態范圍可以從-30dB到+30dB。帶寬范圍從1kHz到80MHz。
當發射信號從發射機傳播到接收機時，發生各種衰減效應，多個傳播路徑間可能會發生有益或有害的相互疊加，同時收發兩端的相對運動引發多普勒效應。本方案中的fading模塊可以模擬上述效應。此模塊可以對兩通道的信號進行衰落模擬，總共可以提供40條路徑，帶寬為80MHz，時間分辨率為10ns。可模擬多種多徑衰落：靜態路徑、純多普勒效應、銳利傳播、萊斯衰落、恒定相位衰落、對數正態衰落、Suzuki衰落等。
4) 控制信道的幀格式編排及誤碼率、誤塊率測試
實際軍事通信中，控制信道的幀格式有其特殊性，可以連續編排不同的幀格式數據，并在所生成的信號插入不同的錯誤位數，通過這種方式，在接收端測試誤碼率和誤塊率，以檢測接收機是否滿足系統要求。
5) 背景信號的施加
實際軍事通信中，數據傳輸的環境中必定存在多種背景信號，可能是我方其他分組件產生或泄漏的信號，也可能是敵方通信的信號，或者是惡意的干擾信號，為檢測接收機的工作狀況，測試平臺必須具備施加背景信號的能力。利用SMU200A的雙通道特性，可以通過多種方式施加需要的背景信號。
a） 基帶疊加
一個基帶信號發生器用來實時產生需要評測的信號，另外一個實時產生用作背景的干擾信號，可以使一個背景文件，也可以是多個背景文件的合成，兩個信號以數字信號的形式合在一起，還可以設置一定的頻率偏移，輸出后直接送給直擴接收機，檢測接收機的接收檢測能力。
SMU200A的信號路徑可以根據需要隨時切換（在經過衰落模擬器處理后），因而可以模擬許多以前不可能或者需要耗費大力氣制作的場景模擬。例如，為了模擬收發天線由于平臺滾動引起天線失配信號畸變引發的數據幀衰落現象模擬，可以對一個基帶信號產生器產生的所需數據幀進行衰落處理，然后再將其加到另外一個基帶信號模擬器產生的信號上，就得到了需模擬的場景。
b）射頻疊加
如上所述，在基帶產生需要評測的信號和實際可能的背景信號，然后通過射頻通道輸出。這種狀況下即使在功率和頻率偏移方面存在顯著不同也是可以的。
c）混合疊加
可以將外部模擬I/Q信號輸入到SMU200A中，對其進行衰落、噪聲、損害處理，然后與內部信號疊加輸出，也可以將外部信號加到內部基帶信號上，從而實現更為復雜的信號場景模擬。
對于a）和c）的測試信號及場景信號，信號頻率差異在80MHz以內，對于方案b），測試信號與場景信號的頻率差可大于80MHz，但此測試平臺的信號帶寬只有80MHz。
3.3 信號的測試與分析
采用FSQ26完成對射頻信號的頻譜測試、調制域分析，功能主要如下：
1）高端的頻譜分析功能：
Ø 各種分辨率濾波器供測量使用，高斯、FFT、信道、RRC；
Ø 各種檢波器可供選擇，RMS、AUTO、MIN/MAX、QUASI、PEAK、SAMPLE、AVERAGE，以適應多種信號類型的測試；
Ø 可方便快捷的測量頻域、時域的信道功率；
2）調制信號分析功能：
解調和分析帶寬高達120MHz，由硬件完成比較費時的分析算法，提高了測量速度與準確度；可處理模擬AM、FM、φM調制信號，可確定頻偏、示波器頻率穩定時間等各項參數，并且可使用FFT濾波器對解調信號進行分析。
可用于所有常見調制模式：BPSK、QPSK、0QPSK；Π/4 DQPSK；8PSK、D8PSK、3 Π/8 BPSK；MSK；FSK；16,32,64,128,256 (D)QAM。
可顯示以下測量結果：同相和正交信號-時間關系曲線；幅度、相位-時間關系曲線；眼圖；矢量圖；星座圖；調制錯誤列表；數位流解調；頻譜分析；調制參數的統計分析；放大器失真測量；
3）相位噪聲測量功能
可自動測量完整的偏置頻率范圍，并可測定相位噪聲中的殘留FM，FSQ本身的相位噪聲極低，在測量時無需再增加其他相位噪聲測量系統，從而避免了操作的麻煩。
4 結論
通過本平臺的搭建，對某直擴接收機進行了實測，發現了設計的缺陷，并對設計缺陷進行了改進設計。
通過本平臺的搭建，可以完成對發射信號及環境的模擬以及對信號的分析、檢測，在實驗室內建立近似于實際使用環境的半實物仿真環境，以方便、高效的對產品進行邊界條件驗證，提高產品的適應性，加快系統研制腳步。
但是本平臺有一定的局限性，由于SMU200A的多普勒頻移只有2.4kHz，故而收發平臺相對速度大的通信系統不能適應。
[1] 曾興雯，劉乃安，孫獻璞編著. 擴展頻譜通信及其多址技術[M].西安. 西安電子科技大學出版社. 2004.5.
[2] 李秀坤，向冰，張楷生，朱學勇.高動態中頻直擴接收機的設計與實現[J], 航空兵器，2008（6）.40～43.
[3] www.rohde-schwarz.com. SMU200A.pdf version01.00 2003.9
[4] www.rohde-schwarz.com. FSQ_bro_cn.pdf version01.00 2003.9
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